微型制冷的方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术描述一种体积小到足以装入电子器件外罩和便携式设备的集成自持微型制冷设备，该微型制冷设备采用在封闭回路中循环于蒸发器、压缩机、冷凝器和涡轮膨胀器之间的工作流体，本发明专利技术的权利要求包括两项配置：一项是压缩机和涡轮机分别在独立的机轴上运行，另一项是涡轮机和压缩机均在电动机机轴上运行。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术所讨论的是在蒸汽压缩热力学循环中采用超临界液体进行制冷的装置与方法，更具体地说，讨论进行此种循环所需要的小型设备，其典型应用包括电气、电子、光学与便携器件的制冷。
技术介绍
小型制冷机，又称微型制冷机，正在被广泛研制，以便用于计算机、服务器、电讯交换装置、许多其它类型电子设备，以及便携式冷冻箱、医疗设备和其它许多虽然并非便携式器件，但体积设计小巧玲珑的设备之中。直到不久前，此类设备通常使用电扇以及非机械散热装置等简单装置进行冷却。由于对此类器件的性能要求越来越高，体积则要求越来越小，导致对此类器件的散热要求日益提高，使传统形式的冷却在许多情况下不能防止器件过热，从而导致器件故障。此外，许多器件设计人员的目标不仅仅是防止器件过热，而且还想通过降温提高产品性能。例如，如果温度降低到足够的程度，电子设备的运行速度就会加快。因此，目前不仅存在着要求小型设备能将器件冷却到符合安全运行所需的温度，而且还存在着对器件进一步制冷，使其达到能提高其性能所需温度的需要。人们投入了不少精力，研究以强制鼓风方式改进电子部件降温的方法。由于空间与成本方面的考虑使能使用的风扇尺寸受到限制，人们把更多的注意力转到了散热装置之上，因为散热装置以传导方式带走产热组件的温度，而风扇则通过强制对流达到此项目的。Lee(美国专利第5,653,285)提供了这方面的一个最新实例，其中的散热片的设计构思提供了最大的热交换效率。另一种普遍采用的改进散热装置效率的方法是将其制作为一个称为珀尔帖冷却器的热电制冷装置，它使散热片与热源连接处的温度大大低于热源的温度。珀尔帖热电冷却器的缺点是要求输入的功率大于能耗散的功率，因此是效率甚低的微型制冷手段。散热片配置的例子还有许多。最近公布的一些专利技术在散热装置中使用了一种冷却液。Miller等人(美国专利第6,400,012号)描述了一种有冷却剂循环通道的散热装置，该项配置的设计是为了降低产热器件与散热装置内部的冷却介质之间的热阻。但该项专利并未提供具体的冷却介质。Cole等人(美国专利第6,478,725号)进一步拓展了这一概念，提供了让冷却剂在密封容器内与产热器件直接接触的手段，该项手段为雾化式喷注，喷注后随之凝结，并从容器中吸出，循环到另一器件中冷却，然后返回密封室重复此项循环。此种冷却剂与微晶片过于接近的配置从长远看有可能会使微晶片失灵。在更通常的情况下，人们把注意力更多集中于在Miller等人研制的小型热交换器中进行间接冷却。Vafai等人(美国专利第6,457,515号)描述了一种双层微通道结构。冷却液以分布方式通过远方的热交换器和其他设备进行循环。在该种分布系统中，系统组件彼此独立，并不封闭于同一容器之中。Konstad(美国专利第6,407,916号)描述了体积更为紧凑的分布式散热手段，采用散热管在散热器与气冷式热交换器之间来回传送冷却剂。与冷却相比，制冷增加了设计的复杂性，尤其是在要求将制冷循环的所有部件置于同一容器中时更是如此。Davidson等人(美国专利第6,497,110)展示了如何在一个将电子组件与周围器件完全分离的装置中实现此项要求，其部份目的是为了防止上述周围器件上出现水汽凝结。其一项缺点是该项专利技术的首选版本不鼓励与电子组件之间的来回传递信号的线路连接，而代之以光学连接手段。目前的制冷电子设备系统体积庞大，可以导致电子设备总体体积的增加。Porter(美国专利第5,574,627号)、Wall等人(美国专利第6,054,676号)和Eriksen等人(WO 0125881A2)展示了此类系统的实例。在今天的环境中，摆在我们面前的挑战是将此种制冷系统微型化，将其纳入现有电器(包括手提电脑)的结构体系之中。为求体积紧凑、效率良好，具有内工作流体循环的微型制冷器件的工作流体从热力学角度看必须效率卓著。热力学效率卓著的工作流体传热轻松，所需功率微乎其微。为安全起见，工作流体也必须无任何毒性，对环境无害。此类性能要求导致我们考虑采用超临界二氧化碳作为工作流体。在传统的蒸汽压缩式制冷循环中，热能由处于蒸发状态的液体以恒温方式吸收，然后在亚临界压力冷凝器中释放蒸发热以及压缩过程所增加的工作能之前，将蒸汽在高压下压缩，最后通过膨胀器解除压缩，返回到蒸发器中吸收热能，重新开始循环。此种循环的另一方案是在足够高的压力下将液体压缩到超临界状态，使其在向冷却介质释放热能时保持其超临界状态。在制冷中，冷却介质通常是空气，但也可以是另一种液体，例如海水。然后，随着工作流体的膨胀，回到亚临界状态并凝结，随后返回到蒸发器中重新吸收热能。此类循环称为跨临界循环。在整个蒸汽压缩式制冷的历史中，亚临界循环始终是一项规范。此类循环所使用的含氯氟甲烷(CFC)工作流体从二十世纪三十年代开始风行一时。当时此类液体被认为是无毒和安全的。但到了二十世纪七十年代初期，人们认识到了含氯氟甲烷(CFC)对环境的危害，特别是对大气臭氧层的破坏。这使得人们对二氧化碳重新发生兴趣；二氧化碳既可以在全部亚临界循环中运作，也可运行于跨临界循环中，以提高效率。
技术实现思路
本专利技术的目的是改进小规模制冷器件的设计与运行，提高其工作效率，以便在特定体积下提供足够的冷却能力，并使此种制冷器件的体积缩小到能安装在电子器件或其他小型电器设备的外罩之内，或者作为其外罩的一部份。本专利技术的另一个目的是将制冷器件组装成为整体装置，以便将其纳入电子器件或者其它小型电器之中。本专利技术的再一个目的是从驱动电子器件或其它小型电器的公用市电获取运转制冷器件所需的动力，除制冷过程中所耗散的动力外，不需要更多的动力。本专利技术的还有一个目的是提供足以延长电子组件运转寿命，或者提高上述组件运转速度的制冷能力，使其超过传统非制冷手段所能期望的性能。本专利技术的再有一个目的是应用无毒性、对环境无害的工作流体来实现上述各项目标。本专利技术所讨论的是采用蒸汽压缩循环的微型制冷装置，该装置包括(a)在跨临界循环中使用天然的、对环境无害的工作流体；(b)压缩工作流体的压缩手段；(c)至少一台将热能从工作流体转移到外界环境之中的热交换器；(d)至少一台将热能从目标器件转移到工作流体中的热交换器；(e)工作流体膨胀用的节流装置；(f)连接上述压缩机、上述热交换器和上述节流手段，使工作流体在跨临界循环中循环的的闭合回路；(g)上述组件(a)至(e)置于同一个容器之内；(h)上述容器与上述目标器件相接触本专利技术还讨论在上述装置中，天然的、对环境无害的工作流体是从二氧化碳、水和天然烃等物质组合中选取的至少一种物质。在上述装置中，压缩机为往复式或者离心式，在低压下运转。至少一台热交换器为微通道式。此外，上述装置的微通道的剖面可以是椭圆形，或者是多边形。上述装置中采用的涡轮机置于两个热交换器之间，既可以是脉冲式涡轮机，也可以是反击式涡轮机。涡轮机在两台热交换器之间进行节流，在节流过程中产生有用功。上述涡轮机在能源方面可与压缩机耦合，以回收能量。上述装置带节流阀循环运转时，能增强冷却能力，提高能效率。上述装置的其它方面包括以无油的天然的、对环境无害的工作流体运行。耗电在100瓦或以下的上述容器体积不超过10厘米3/瓦。装置还可包括一个或多个将有用功从高压侧转移到低压侧的中间冷却器；一个或多个将气体本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微型制冷装置，其特征在于：包括：（ａ）一种使用于跨临界循环中的对环境无害的天然工作流体；（ｂ）一种对工作流体进行压缩的压缩机手段；（ｃ）把热能从工作流体转移的外界环境的至少一台热交换器；（ｄ）把热 能从目标器件转移到工作流体的至少一台热交换器；（ｅ）对工作流体进行膨胀的节流手段；（ｆ）在跨临界循环中连接上述压缩机、上述热交换器和上述节流手段的闭合回路；（ｇ）组件（ａ）至（ｅ）置于单一的容器中；（ｈ）上述 容器与上述目标器件接触。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：莱理特考迪亚，布赖恩莫依尔，约翰C戴维斯，
申请(专利权)人：塔尔科技有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]